本刊記者 肖貞林

何亮：傳道授業(yè) 耕耘科研

本刊記者 肖貞林

何亮

在加州大學洛杉磯分校一間150多平方米的器件研究室里，一名博士后研究員，常常為了研究一個新材料，通宵達旦，甚至可以連續(xù)工作30個小時以上。這個“拼命三郎”就是如今南京大學電子科學與工程學院教授何亮。

何亮畢業(yè)于美國北卡羅來納大學教堂山分校凝聚態(tài)物理專業(yè)，其間致力于通過分子束外延技術生長半導體薄膜材料，擅長研究材料的物理性質(zhì)和制備微納米原型器件。多年來，他共發(fā)表論文50余篇，引用1300余次，獲得國際同行的廣泛認可。2014年，何亮的名字出現(xiàn)在海外高層次引進人才專項辦公室的國家“青年千人計劃”名單中，他放棄了國外優(yōu)渥的生活工作條件，毅然回到了祖國。在這里，開啟了他人生新的篇章。

累積跬步，終致千里

1994年，18歲的何亮在全國化學競賽中脫穎而出，獲得一等獎，由此進入全國僅有20人的中國國家化學集訓隊。之后以此為契機，何亮免試進入了中國學子夢想的最高學府——清華大學。在清華園物理系的小天地里，何亮最早開始了對于科研的熱愛與癡迷。本科期間，何亮立志于夯實基礎，于是踏實求學，穩(wěn)扎穩(wěn)打，每年都憑借優(yōu)異的成績獲得清華大學一等獎學金。何亮回憶道，“正是這段期間的學習奠定了后來的科研基礎”。

走出清華園，何亮踏上了前往美國的求學之路?！皩τ诳蒲械臒釔凼撬角?，自然而然的。”何亮說，“沒有很刻意地追求，只是跟著導師做研究，一步步走來，科研就放不下了?！睂τ诤瘟炼?，清華園打開了他科研夢想的大門，而真正讓他走進科研這扇大門的，應該是接下來長達14年的國外求學經(jīng)歷。

“2000年8月8日，因為是很特殊的日子，我的記憶很清晰?！焙瘟琳f道，“我來到了美國北卡羅來納大學教堂山分校，師從著名學者Frank Tsui教授，攻讀凝聚態(tài)物理專業(yè)的博士學位?！惫プx博士期間，何亮主攻Si/Ge半導體薄膜材料的生長和器件應用，在世界上首次發(fā)現(xiàn)了基于第四主族(Si/Ge)的磁性半導體材料。在這之后，何亮開始在加州大學洛杉磯分校國際知名教授王康隆領導下的器件研究室做博士后研究員，主要進行有關拓撲絕緣體材料的薄膜生長和器件物理方面的研究。盡管在國外的求學經(jīng)歷十分辛苦，也很單調(diào)，再加上導師的高標準、嚴要求，何亮沒少吃苦頭，但也正是這段十分辛苦的科研經(jīng)歷，幫助何亮開拓了科研思維，鍛煉了科研品質(zhì)，養(yǎng)成了良好的科研習慣。

在此期間，何亮一直從事于有關自旋電子器件的薄膜材料生長和材料物理方面的研究，以分子束外延為核心技術手段，熟練掌握了從材料生長（合成）到輸運性能、磁性能、磁光性能和晶體結(jié)構(gòu)表征的一系列測量技術，并取得了創(chuàng)新性的研究成果，具備了獨立開展科研的能力。在半導體材料、材料物理和自旋電子器件領域，其研究成果獲得了國際同行的廣泛關注和高度肯定。

2003年，何亮和其導師首次實現(xiàn)了用分子束外延生長以Si/Ge為模板的稀磁半導體材料，并創(chuàng)新性地引入Co和Mn同時摻雜的方法。何亮首次成功地生長了接近室溫（TC～270K）的稀磁半導體Co0.12Mn0.03Ge0.85薄膜。這一發(fā)現(xiàn)使室溫下的自旋器件成為可能，是稀磁半導體領域的一項突破，也讓稀磁半導體的工業(yè)化邁進了一大步。

在參加2016年MBE會議合影

為了生長出完美的半金屬材料，何亮和導師自主開發(fā)了世界上唯一的一套組合分子束外延系統(tǒng)。這套系統(tǒng)極大地提高了復雜材料的生長效率。利用這套系統(tǒng)，何亮成功地生長了一系列在Heusler合金理想成分附近的薄膜材料，并首次在實驗上證實了幾種具體的結(jié)構(gòu)和化學缺陷，指出了由于襯底和薄膜之間的應力作用，晶體結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)最好的成分是Co0.62Mn0.15Si0.23，而不是理論預測的Co2MnSi。

2010年，何亮首創(chuàng)性地提出并成功實現(xiàn)用電場抑制拓撲絕緣體材料體態(tài)的導電性，從而加大表面態(tài)的電導率至50%。2012年，何亮首次用原位生長氧化鋁的方法來阻止拓撲絕緣體的體摻雜，從而降低了體載流子濃度，進而表現(xiàn)出了表面態(tài)；同年，何亮和澳大利亞昆士蘭大學的團隊合作，通過Na摻雜，成功實現(xiàn)了本征的Bi2Te3納米片，以及通過電場調(diào)節(jié)，實現(xiàn)空穴和電子導電的轉(zhuǎn)換。2013年，何亮制備了磁性半導體和拓撲絕緣體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電場可調(diào)節(jié)的鐵磁性, 并證明其機理為表面態(tài)空穴的RKKY相互作用。

鍥而不舍，可鏤金石

從2000年至今，何亮在拓撲絕緣體材料方面積累了豐富的薄膜生長、器件制備和表征的實驗經(jīng)驗，獲得了該領域?qū)＜业膹V泛認可。14年的海外留學經(jīng)歷，讓本來就勤奮刻苦，熱愛科研的何亮更加迷戀自己的工作?！拔矣X得科研是一生的事業(yè)?！焙瘟吝@樣說道。2014年，何亮放棄了國外優(yōu)渥的生活工作條件，回到了南京大學任職?！皣鴥?nèi)的科研環(huán)境非常好，具有很大的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿?，我希望回國后能做得更好?！?/p>

他不是一個止步不前的人，對于何亮而言，科研才剛剛開始。鑒于他的研究領域主要集中在與自旋電子器件相關的薄膜制備、材料物理和器件物理上，回到國內(nèi)后，何亮積極帶領團隊申請該領域的項目，立刻投入到了新的科研工作中去。

“拓撲絕緣體材料的研究工作，最初開始于2003年。斯坦福的張首晟教授最先預言了二維拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應的存在。2007，德國Molenkamp教授首次在HgTe/(Hg,Cd)Te量子井中間，通過實驗實現(xiàn)了二維拓撲絕緣和量子自旋霍爾效應?！焙瘟林v述道，“從2007年開始，每年關于拓撲絕緣體的論文數(shù)量以50%的速度遞增，僅2013年就有大約2000余篇。這個新興的領域變成了極為熱門的領域?！?/p>

對于拓撲絕緣體材料，目前的研究還主要集中在材料的制備和其基本物理性能方面。在材料研究方面主要集中在分子束外延生長的薄膜、化學氣相沉積的納米線/平板或剝離法得到的微米練級的薄膜上。這其中，又由于分子束外延生長技術的高精確度，可控性和容易生長各種摻雜，異質(zhì)結(jié)構(gòu)等最被看好。于是，何亮和他的團隊希望采用分子束外延技術，來生長各種基于拓撲絕緣體的磁性薄膜以及超晶格材料，并且研究其生長機理和探索新型的應用。

對于項目的研究與跟進，何亮和他的團隊做出了預期構(gòu)想研究。

首先，他們的基礎研究將關注本征拓撲絕緣體的生長。早在2010年，何亮就成功生長出非常高質(zhì)量的薄膜材料，是世界上最早實現(xiàn)用MBE生長拓撲絕緣體薄膜材料的少數(shù)研究人員之一，是拓撲絕緣體材料生長方面的專家，因此，何亮計劃帶領團隊進一步加強在材料生長方面的研究，研究其生長機理和探索新型的拓撲絕緣體材料。其次，他們將進行量子反?；魻栃难芯浚媱澑舆M一步系統(tǒng)地研究磁性摻雜的摻雜元素（Mn, Fe，Co等其他過渡金屬）和濃度，對拓撲絕緣體的性能的影響?！澳壳?，拓撲超導體的研究領域才剛剛開始興起，有廣闊的發(fā)展空間。”何亮說道。他們計劃利用分子束外延技術生長薄膜材料、異質(zhì)結(jié)和超晶格多層結(jié)構(gòu)，深入研究其新物理現(xiàn)象，希望在這一新興領域做到國際一流水平。再次，何亮和他的團隊還打算開發(fā)基于拓撲絕緣體材料的納米尺度的器件，包括零維的量子點和一維的納米線/帶。利用拓撲絕緣體表面態(tài)的電子自旋極化的特征，開發(fā)自旋場效應晶體管等自旋電子器件。

這些研究設想僅僅是何亮和他的團隊研究項目中的一項，此外，他們還承擔了國家重大科學研究計“低維磁性耦合體系的新物性及多場調(diào)控”，國家重大儀器研制項目“飛秒級時間分辨并自旋分辨電子能譜探測系統(tǒng)”，國家自然基金面上項目“有關新型磁隨機存儲器的新材料及新器件的研究”，國家重大科學研究計劃子課題“自旋波電子學、材料、器件與物理”等。

“我們很幸運，可以踏踏實實地做科研?！焙瘟琳f，盡管每天的生活緊張又忙碌，但是他和團隊卻樂在其中。對于他們而言，科研沒有盡頭，過程就是意義。

授業(yè)解惑，終為人師

回國之前，何亮整體而言是以學生的身份在從事科研；回國后，則完全轉(zhuǎn)變了身份，變成了傳道授業(yè)解惑的老師。角色身份的轉(zhuǎn)換，讓何亮開始思考團隊的管理與學生的教育。他希望自己的學生是真正熱愛科研的，希望他們在科研中獲得有價值的自我實現(xiàn)。

“我的導師對我影響很深，他們富有科研熱情，而且動手能力很強?！焙瘟琳f，“所以我在招生的時候，一定要問學生是否真的熱愛這個專業(yè)，一定要仔細考察他們的動手能力?！?/p>

科研是漫長枯燥的事業(yè)，沒有足夠的興趣是沒有辦法走長遠的，所以，興趣非常重要。談到這一點，何亮表示對一些不喜歡本專業(yè)的學生充滿了擔憂，作為一名教師，當何亮看到學生因為專業(yè)不對口而痛苦的時候，內(nèi)心特別煎熬，“我一直在思考和努力，希望學?？梢远嘁恍┩緩?，實現(xiàn)跨專業(yè)選課或者自由選修”，言語中是一位教師對學生深切的關懷。

UCLA DRL組合影

“我對于學生的管理相對自由，我不想過多地限制和束縛，我希望他們在寬松的環(huán)境中學習工作?！焙瘟裂a充說道。在國外的科研工作經(jīng)歷讓何亮明白了一個道理，科研應該是主動積極的，只有發(fā)自內(nèi)心的熱愛才能充分發(fā)揮主觀能動性，積極有效地開展科研工作，被動或者約束對于科研沒有意義。因此，何亮對于團隊的要求是要定期交流溝通，解決科研實際工作中遇到的問題，其他的科研時間、方式都是充分尊重學生自由的。正是在這種游刃有余的科研氛圍中，何亮的團隊迅速成長，學生在承擔的科研項目中扮演著越來越重要的角色。

同時，何亮也表示，在剛剛回到國內(nèi)的最近幾年，不會擴大團隊的規(guī)模?！皥F隊規(guī)模太大，不利于管理，也不利于學生的成長。”何亮希望依托南京大學自旋電子學國際聯(lián)合中心建立一套獨特的分子束外延生長系統(tǒng)，包括材料生長、原位的(in-situ)低溫下的輸運測量、光學測量，同時與國內(nèi)外學者進行廣泛合作，開展拓撲絕緣體的在自旋電子器件方面的研究。未來將會建立以分子束外延為主要技術的薄膜材料生長實驗室，同時逐步擴展到其他生長手段，包括化學氣相沉積法(CVD)、脈沖激光沉積(PLD)和高溫燒結(jié)等，“在未來5年內(nèi)，培養(yǎng)3～5名碩士或博士研究生，獲得具有國際影響力的科研成果，是我的目標”。

如今的何亮，除了自己的科研工作外，最重要的就是學生的培養(yǎng)了。他時常思考學生的發(fā)展，希望他的學生可以踏踏實實做科研，能通過自己搭建的平臺，真正成長為一流的科研人才。